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路径损耗和阴影衰落.ppt

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第2章 路径损耗和阴影衰落,无线信道的挑战:可靠、高速通信?? 噪音、干扰和其他信道因素影响 用户移动和信道动态变化—随时间随机变化 讨论:路径损耗和阴影效应接收信号功率随距离变化的规律,,,路径损耗:由发射功率的辐射扩散及信道的传播特性造成 一般认为对于相同收发距离,路径损耗相同 阴影效应:由发射机和接收机之间的障碍物造成 障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信号功率,甚至严重时阻断信号。 cf: 路径损耗引起在长距离上; 而阴影引起在障碍物尺寸的距离上功率变化 (室外:10m- 100m,室内更小),,大尺度传播效应:两者在相对较大距离上引起的功率变化(cf.小尺度传播效应) 小尺度传播效应:如:多径信号干涉,在波长数量级距离上引起功率变化。 在路径损耗、阴影效应和多径传播下: X的分贝值:xlog10x,2.1 无线电波传播,无线电波传播发展历史:物理发现通信技术 1864年J.C. Maxwell建立的电磁波传播理论预言无线电波存在 1887年H.Hertz证实了电磁波物理存在他认为声波频率非常低且电磁波传播特性差,无法携带语音 1894年O.Lodge 第一个无线通信系统,距离150m 1897年G.Marconi把无线电信号从怀特岛发到18英里外的拖船 1901年Marconi无线通信系统能横跨大西洋,2.1 无线电波传播,无线电波传播发展历史: 电波信号通信 1906年Fessenden使用幅度调制第一次进行了语音和音乐传送:低频信号调制到高频电磁波上传输突破Hertz的低频传播限制今天各种无线通信系统普遍适用方法 电磁波传播: 墙壁、地面、建筑物等反射、散射和绕射,2.1 无线电波传播,电磁波传播: 电波传播:求解带边界条件的Maxwell方程 边界条件:表征障碍物的物理特征 求解:计算复杂,参数难以得到 近似方法:描述传播特性、避免求解复杂的Maxwell方程 常见近似方法: 射线跟踪技术:忽略Maxwell方程散射效应 射线跟踪模型: 两径模型、经验模型、统计模型等等,2.2 发送和接收信号模型,发送信号和接收信号的表示: 接收与发送信号:实信号(vs.复数信道建模) 发送和接收信号表示成复信号的实部 发送信号:u(t)为s(t)的等效基带信号接收信号:,2.2 发送和接收信号模型,多普勒频移:当发射机和接收机中有一方在移动时,接收信号会有一个多普勒频移:入射波相对于移动方向角度v:接收机沿移动方向移动速度:信号波长,2.2 发送和接收信号模型,多普勒频移:,,,2.2 发送和接收信号模型,多普勒频移: 接收机朝发送机方向移动 正值 发送信号s(t)的功率为Pt,接收信号r(t)功率Pr 信道的路径损耗真值:发送功率和接收功率的比值。信道的路径损耗:路径损耗真值的分贝数,2.2 发送和接收信号模型,信道是无源的,只能衰减信号,用分贝表示的路径损耗一般都是非负值 路径增益分贝值:路径损耗分贝值的负数(通常负值),2.3 自由空间的路径损耗,视距(LOS)信道:假设信号经过自由空间到达距离d处的接收机,发射机和接收机之间没有任何障碍物,信号沿直线传播。 相应的接收信号:LOS信号或直射信号 自由空间路径损耗使接收信号相对于发送信号引入了一个复数因子,产生接收信号:,2.3 自由空间的路径损耗,: 视距方向上发射天线和接收天线的增益之积:由传播距离d引起的相移,2.3 自由空间的路径损耗,发送信号s(t)功率Pt则有:接收功率与收发天线间距离d的平方成反比(其他模型中随d下降的更快) 接收功率与波长的平方成正比载波频率越高接收功率越小 接收功率与波长有关是因为:接收天线的有效面积和波长有关。(如采用定向天线,接收功率也可能随着频率增加而增加),2.3 自由空间的路径损耗,自由空间路径损耗定义为:自由空间模型下的路径损耗自由空间路径增益为:,2.3 自由空间的路径损耗,eg1:有一室内WLAN,载波频率fc=900MHz,小区半径10m,使用全向天线。自由空间路径损耗模型下,如果要求小区所有终端的最小接收功率为10μW,问接入点发射功率应该是多大?如果工作频率变成5GHz,相应所需的发射功率又是多少? Tips:全向天线Gl=1,2.4 射线跟踪,反射、绕射和散射:从固定发射机发出的无线电信号在其传播环境中会遇到许多物体,从而发生 经由反射、绕射和散射到达接收机的信号分量:多径信号分量,2.4 射线跟踪,接收端收到多径信号cf直射信号:功率衰减、时延、相移及频移 多径信号和直射信号在接收端叠加信号失真 Q:考虑有限个反射体,if位置和介电性质已知适当边界条件求解Maxwell方程多径传播路径 计算复杂,不适于通用建模方法 射线跟踪法:简单几何方程取代Maxwell方程,近似反射、绕射和散射对波前的影响。,2.4 射线跟踪,射线跟踪法建模特点: 接收机距最近反射体数个波长、所有反射体大小相对于波长足够大且相当平滑近似误差最小 cf.经验数据:在乡村地区、发射机和接收机都很靠近地面的街道、适当调整了射线系数的室内环境能精确建模接收信号功率 除接收功率变化外,并不能有效反映多径时延扩展等其他传播特性。,2.4 射线跟踪,射线跟踪法建模: 如发射机、接收机和反射体都静止多个信号路径特性是固定的 如发射机或接收机是运动的,路径特性时变的 如果反射体数量、位置和特性在任何时间已知确定的时变信道 否则随机时变信道统计模型 如反射体数量很大或者表面不光滑统计模型,2.4 射线跟踪,射线跟踪模型: 包含直射、反射、绕射和散射等各种衰落分量 (需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介电特性) 几种射线跟踪模型: 两径模型:地面反射波+直射波少量反射体的固定区域只需知道天线高度 十径模型:适于街道、走廊天线高度/街道、走廊宽度 通用模型:任意传播环境还需反射体、绕射体、散射体几何和介电特性,2.4.1 两径模型,两径模型:用于在单一的地面反射波在多径效应中起主导作用的情形,2.4.1 两径模型,接收信号:经自由空间到达接收端的直射分量+经过地面反射到达接收端的反射分量 直射分量  反射分量? 反射路径:x&x’: x+x’ 接收信号:反射波相对于直射波的时延直射方向上发射和接收天线增益的乘积,R地面反射系数x方向上发送天线和x’方向上接收天线增益乘积,2.4.1 两径模型,时延扩展(delay spread):反射路径相对于直射路径的时延,即: 1.如果发射信号相对于时延扩展是窄带的:窄带信号的接收功率:直射信号和反射信号的相位差,2.4.1 两径模型,d收发天线的水平距离 ht发送天线高度, hr接收天线高度,由几何关系得到:当d ht + hr当地面反射系数:εr是 大地的介电常数,2.4.1 两径模型,当d充分大时,接收功率:当d充分大,接收功率与d4成反比,且与波长λ无关(接收功率并没有随着频率增大而单调减小),2.4.1 两径模型,功率随距离变化曲线,,,,,,,,2.4.1 两径模型,临界距离dc :Δφ=π dc =4hthr/λ 临界距离用于系统设计: 若蜂窝系统的电波符合两径模型: dc 小区半径 Eg2:请计算城市微小区( ht=10m, hr=3m )和室内微小区( ht=3m, hr=2m )两径模型的临界距离,发射频率fc=2GHz. Tips: dc =4hthr/λ 小区内信号随d2下降,邻小区干扰随d4下降 现在的微小区为了保证容量,半径更小 蜂窝系统电波传播很少符合两径模型,2.4.2 十径模型(介电峡谷),城市微小区模型:假定方方正正的城市,街道两边是建筑物,发射天线和接收天线高度接近地面,两旁排列着建筑物的街道对于无线电信号相当于介电峡谷 经由建筑物反射至接收机的射束有无限个,每次反射能量衰减经过三次以上反射的路径可忽略不计,2.4.2 十径模型,十径模型:包括各种一次、两次和三次反射信号,具体:直射LOS、地面反射GR、一次墙面反射SW、两次墙面反射DW、三次墙面反射TW、墙地WG反射路径和地墙反射路径GW,2.4.2 十径模型,十径模型下的接收信号:第i个反射路径长度,相对LOS时延第i条路径的发射天线增益和接收天线增益之积, 反射系数,对于多反射路径 反射系数之积,2.4.2 十径模型,如果是窄带, , 接收功率:十径模型得到的接收功率随距离的平方下降,即使距离很大时也如此 功率下降指数对天线高度不敏感(多径叠加起主要作用,它们按照d-2下降,cf.两径模型中直射波和地面反射波叠加按照d-4下降),2.4.3 通用路径跟踪,对于任意建筑物布局和任意天线位置的情形,用通用路径跟踪(GRT)来预测场强和时延扩展GRT模型不用于研究一般性问题,针对具体的环境发射机接收机布点 几何光学方法跟踪直射信号分量、反射信号分量以及由建筑物绕射和漫散射的信号分量给定接收机位置,具体建筑物位置、介电性质任意个多径分量的强度 靠近散射体和衍射体区域: 绕射、散射,2.4.3 通用路径跟踪,直射径&反射径:绕射:发送信号绕过发射机和接收机之间的障碍物到达接收机 几何绕射理论 复杂性  简化:楔形绕射数值方法求解未广泛使用 菲涅尔刃形绕射模型 :简单,最常用模型,2.4.3 通用路径跟踪,若hd&d’,信号绕射径相对于直射径的行程差:相对于直射径的相位移: 菲涅尔-基尔霍夫绕射参数:刃形绕射带来的路径损耗一般是v的函数,2.4.3 通用路径跟踪,绕射模型得到接收信号多次绕射路径:信号分量衰减非常大,忽略,2.4.3 通用路径跟踪,散射:,2.4.3 通用路径跟踪,接收到的散射信号:散射波相对时延,σ散射物的雷达截面积(取决于散射体粗糙成都、大小、形状)天线增益 该模型假定按自由空间模型从发射体传播到散射体,在散射体处再以散射体接收功率σ倍向外辐射,2.4.3 通用路径跟踪,接收到信号:所有多径分量叠加 如果有1条直射路径、Nr条反射路径、Nd条绕射路径和Ns条散射路径,总的接收信号:,2.4.4 本地接收平均功率,所有射线跟踪模型中路径损耗计算:发射机和接收机位置固定情况下进行 可用所有路径幅度平方和求出接收机位置附近的本地平均接收功率 平均:给定位置因为相位变化引起的接收功率在附近空间上变化 反映:链路质量,2.5 经验路径损耗模型,基于实测数据的经验模型 复杂传播环境:难以用自由空间损耗、射线跟踪等精确建模 实测:城市宏小区、城市微小区、甚至室内模型等 先针对特定环境按照不同距离和频率测量数据建模  其他通用传播环境中 解析模型路径损耗Pr/Pt作为距离函数定义明确 实测数据: Pr/Pt包括路径损耗、阴影和多径的影响,2.5 经验路径损耗模型,基于实测数据的经验模型 把附近几个波长范围内的测量数据进行平均:消除多径影响 平均路径损耗距离d处的本地平均损耗(LMA) 考虑自由空间损耗和信号遮挡,LMA随距离d增加而下降 一般性:LMA和测量时发射机、接收机位置有关 对多个特性类似的环境进行测量,将特定环境下给定距离d处的测量结果平均经验路径损耗PL(d),2.5.1 奥村模型,城市宏小区信号预测常用模型 适于距离范围1km-100km、频率150MHz-1500MHz 对东京地区基站到移动台信号传播衰减进行大量测量 奥村模型经验路径损耗公式:传播距离d、载频fc时的自由空间路径损耗针对所有环境附加的衰减中值 (经验曲线得到)基站天线高度增益因子(经验公式)移动台天线高度增益因子(经验公式)传播环境增益因子(经验曲线),,,,,,,,,,2.5.1 奥村模型,为提高模型准确度 不同地形的校正因子 所预测路径损耗和用实测数据建模所得相比,误差标准差约10dB-14dB,,,,,,,,,,2.5.2 哈塔模型,把奥村模型曲线图表示的路径损耗数据拟合为经验公式  简化了损耗路径计算,不需查经验曲线确定相关参数 城市地区哈塔模型经验路径损耗标准公式:移动台天线高度校正因子,对于中小城市和较大城市分别由不同公式给出,,,,,,,,,,2.5.2 哈塔模型,哈塔模型校正后也可用于郊区和乡村,分别为:K范围:35.94乡村-40.94沙漠 与奥村模型不同,不再对特定传输路径进行校正 当d1km,是奥村模型的很好近似 适于第一代蜂窝系统(cf.不能体现目前使用较小小区和高频蜂窝系统&室内传播),,,,,,,,,,2.5.2 哈塔模型扩展,哈塔模型COST231扩展到2GHza(hr)和哈塔模型校正因子相同。 中等城市和郊区CM取0dB,对于大型城市取3dB 适用范围: fc :1.5GHz~2GHz,ht:30m~200m,hr:1m~10m, d:1km~20km,,,,,,,,,,2.5.2 折线(多斜率)模型,室外微小区和室内信道折线模型 表示经验路径损耗分贝值和距离对数的关系,,,,,,,,,,,2.5.2 折线(多斜率)模型,折线模型建模 先通过多种方法确定转折点的数量和位置 然后通过线性回归得到每段斜率 特例:双斜率模型 参数:确定的路径损耗因子K、参考距离d0和临界距离dc之间路径损耗指数γ1、距离大于dc的路径损耗指数γ2 (可从经验数据拟合出),,,,,,,,,,2.5.2 折线(多斜率)模型,以下在dht可近似为双斜率模型,,,,,,,,,,2.5.5 室内衰减因子,室内传播具体环境差异很大、许多因素对室内路径损耗影响显著 很难建立准确计算特定室内环境路径损耗的通用模型 室内路径损耗模型要求能很好反映来自地板层和墙壁的信号衰减 不同频率、不同墙壁类型(材质和介电性质)、不同研究者典型损耗值,,,,,,,,,,2.5.5 室内衰减因子,加入地板层损耗和墙壁损耗经验数据的路径损耗PL(d)中:分别为信号穿过第i个地板层或隔墙的衰减因子当发射机在建筑物外时,建筑物穿透损耗 与频率、高度、建筑物材料等有关,,,,,,,,,,2.6 简化的路径损耗模型,单一模型:难以精确反映复杂传播环境下路径损耗 解析模型或实测精确模型:要求严格的问题 简单模型:一般性系统优劣分析 反映信号传播主要特性 简化路径损耗模型: K依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数 d0天线远场参考距离,γ路径损耗指数 选择参数近似解析模型/经验模型 适于d d0,由于天线进场区散射,,,,,,,,,,2.6 简化的路径损耗模型,简化路径损耗模型 对应分贝值,,,,,,,,,,2.6 简化的路径损耗模型,常把K1取为全向天线在d0处的自由空间路径增益 γ依赖于传播环境 自由空间模型γ=2, 两径模型γ=4,,,,,,,,,,2.6 简化的路径损耗模型,Eg3:根据表中给出数据,找出能使简化模型接收功率分贝值(dBm)和实测数据之间的关于分贝值均方误差最小的路径损耗指数γ值。假定d0=1m,K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定。假定发射功率为1mW(0dBm),用简化模型计算出距离150m处的接收功率。 Tips: 1)均方误差分贝值cf.真值均方差 (更准确),,,,,,,,,,,Tips:2)3) K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定,,,,,,,,,,,Tips:3)用简化模型计算距离di处的路径损耗值4) K由距离d0处的自由空间路径损耗公式确定5)6)对F(γ)对γ求导令其为0 7)将K, γ,Pt=0dBm代入简化路径模型,,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,单无线信道传播遇到障碍物信号随机变化给定距离接收信号功率随机变化 建立模型?描述信号随机衰减 由于障碍物位置、大小、介电特性、反射面和散射体等情况未知统计模型 最常用的统计模型:对数正态阴影模型 发射和接收功率比值ψ=Pt/Pr假设为一个对数正态分布的随机变量,,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,对数正态阴影模型均值:解析模型或实测值确定:实测时包含了对阴影衰落的平均,所以均值等于路径损耗;解析模型而言,均值必须结合考虑障碍物导致的平均衰减和路i经损耗,也可以吧路径损耗从阴影衰落中分离单独处理,采用混合模型服从对数分布的随机变量:称为对数正态随机变量,,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,对数正态阴影模型路径损耗真值ψ的平均值:,,,,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,对数正态阴影模型参数一般用对数均值 :平均分贝路径损耗 Ψ的分贝值:服从均值为 ,标准差 的正态分布 室外信道测试表明 范围在4dB·13dB之间取决于路径损耗和所在区域内建筑物属性,随距离(路径损耗随距离变化;随距离增加,障碍物数量会增加,衰减增加),,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,当阴影衰落主要由阻挡衰减决定时,信号穿过宽度d的物体时,衰减近似为: ,α为依赖于障碍物材料和介电常数的衰减常数 穿过i个障碍物衰减常数分别αi、宽度为随机值di,信号穿过该区域时的衰减为:发射机和接收机之间有多个障碍物,由中心极限定理 可近似为高斯随机变量。,,,,,,,,,,2.7 阴影衰落,Eg4:eg3中拟合出简单路径损耗模型的最佳路径损耗指数γ=3.71,假设简化路径损耗模型取此指数 ,K取-31.54dB。请求出实测数据围绕平均路径损耗的对数正态阴影方差 Tips:样值的方差,,,,,,,,,,2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型,路径损耗和阴影衰落模型叠加功率随距离减小&阴影造成路径损耗随机衰减简化路径损耗模型+对数正态阴影衰落随机过程,,,,,,,,,,2.8 路径损耗和阴影衰落的混合模型,简化路径损耗模型+对数正态阴影衰落随机过程 接收功率和反射功率之比的分贝值:均值为0、方差为 的高斯随机变量 路径损耗随log10d线性下降,斜率为10γ/10倍程,γ路径损耗指数,,,,,,,,,,2.9 路径损耗和阴影衰落的中断率,无线系统设计:目标最小接收功率Pmin 中断率:Pout(Pmin,d)=p(Pr(d)Pmin) 对于前述混合模型,有:Q函数为标准正态随机变量X大于z的概率,,,,,,,,,,2.9 路径损耗和阴影衰落的中断率,Eg5:就eg3,eg4中的路径损耗和阴影的混合模型,求出距离150m处的中断率。已知发射功率Pt=10mW,要求最小接收功率为Pmin=-110.5dBm. Tips:,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,蜂窝系统的小区覆盖范围定义:小区内接收功率超过最小规定值位置的百分比 一个半径为R的圆形小区,如图 到达小区边界平均接收功率,,,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,小区覆盖范围:,,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,小区覆盖范围:,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,小区中断率:小区中接收功率达不到最小要求值Pmin的面积百分比:设阴影衰落为对数正态分布,有:结合,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,只有路径损耗,距离基站R处的小区边界上的接收功率 覆盖范围:若目标最新最小接收功率等于小区边界处平均接收功率,则a=0,覆盖范围简化公式:,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,eg6:某小区传播模型是eg3和eg4中给出的包括路径损耗与阴影衰落的模型,小区半径600m,基站发射功率Pt=100mW=20dBm。若最小所需接收功率分别为Pmin=-110dBm和Pmin=-120dBm,请求出相应小区覆盖范围。 Tips:检验a是否为0,决定使用完整还是简化公式 小区边界处平均接收功率 计算出 用完整公式,,,,,,,,,,2.10 小区覆盖范围,,,,,,,,,,,,,The end of chapter 2,
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